6. Моделювання процесів в пористих системах

6.1. Об’єкти вивчення

Пористий матеріал – це тверде тіло, яке вміщує в собі пустоти малого (у порівнянні з розмірами тіла) радіуса. В технічній електрохімії ці матеріали використовують як електроди, що мають розвинену внутрішню поверхню, або як сепараторні матеріали з ізоляційними властивостями. В першому випадку на внутрішній поверхні пор здійснюється електрохімічний процес, в другому – пористий сепаратор відокремлює катодний і анодний простори, попереджуючи змішування розчинів, але не заважає міграційному і дифузійному переносу компонентів.

Пористі електроди найчастіше пресують з порошкових компонентів з добавкою пороутворювача, після чого спікають при високій температурі. Пороутворювач розкладається, утворюючи поровий простір всередині, а частинки металевого порошку за рахунок термодифузії з"єднуютъся між собою, утворюючи міцну скелетну структуру.

Рис.6.1 Модель рідинного по-ристого електрода. 1-пористий електрод, 2- протиелектрод, 3- камера з боку фронтальної по-верхні, 4- камера з боку тильної поверхні, 5-струмовивід (сітка або фольга).

Пористі матеріали характеризуються рядом параметрів, які визначають їх функціональні властивості.

Пористість „р”-відношення об’єму порового простору до повного об’єму матеріалу.

Середній радіус пор „r”- характеристика, яка відповідає спрощеній моделі пор, наприклад, циліндричних, сферичних, тощо. Справжня геометрія пор випадкова і хаотична.

Питома внутрішня поверхня „S” – площа поверхні порового простору в одиничному об’ємі матеріалу, см²/см³=1/см.

Коефіцієнт викривленості пор k_Z = L/h –відношення фактичної довжини викривлених пор до товщини зразка.

Коефіцієнт опору k₀. Пористі матеріали гальмують всі процеси переносу – дифузію, гідравлічні потоки (фільтрацію), міграцію іонів в електричному полі (електропровідність). Додатковий опір прямо пропорційний квадрату коефіцієнта викривленості пор і обернено пропорційний пористості. Визначається k₀ як відношення опору електроліту в поровому середовищі до опору вільного електроліта:

, , (6.1)

де  і D - значення цих величин у вільному електроліті.

Типи пористих електродів.

Пористі електроди є ефективним засобом інтенсифікації гетерогенних електрохімічних процесів, які здійснюються виключно на межі розділу твердої фази і електроліту. В залежності від типів і фазових станів реагентів та умов роботи використовують і різні типи та конструкції пористих електродів.

Рідинні пористі електроди є найпростішими за структурою і функціями. Їх використовують в електрохімічних пристроях безперервної дії в умовах, коли і реагент і продукти електродної реакції є розчинними компонентами електроліту. Матеріал рідинних електродів не витрачається в реакціях.

Масообмін між внутрішньопоровим простором і зовнішним електролітом здійснюється або через фронтальну поверхню (звернена до протилежного електрода і поляризована), або через неполяризовану тильну, або через обидві сторони. Масообмін може здійснюватись або шляхом дифузії, або шляхом примусової фільтрації електроліту через електрод, в напрямку або з фронтальної сторони до тильної, або в зворотному.

Газо-рідинні (трифазні) електроди. Їх використовують для здійснення електрохімічних процесів, коли реагентом є газофазна речовина (водень, чистий або атмосферний кисень). Електрохімічний процес там, де максимально зближені три фази-електрод, газ і рідина. Поровий простір заповнений одночасно газом-реагентом і рідиною–електролітом,

Електроди з твердофазними активними речовинами. Їх використовують в промислових хімічних джерелах струму. Принциповою особливістю електродів є те, що їх робочий режим є нестаціонарним, і при розряді або заряді поступово і безперервно змінюється хімічний склад твердої фази і електроліту, термодинамічні і мікрокінетичні фактори процесу, структурні параметри порового простору – пористість, розмір пор, геометричні форми. З цих причин математичне описання нестаціонарних процесів в таких електродах набагато складніше, ніж в перших двох типах електродів.

Псевдозріджені електроди. Це системи, де процес здійснюється на поверхні окремих частинок-мікроелектродів, які вільно рухаються в електроліті. Процес іде лише в моменти, коли частинки зіштовхуються з інертним електропровідним колектором - струмовідводом. В ПЗЕ відокремлені дві функції – каталітичну виконують частинки суспензії, а струмовідвідну- колектор. Ця система фактично не є пористим електродом, але закономірності її роботи близькі тим, які мають місце в пористих системах. ПЗЕ і спеціальні пристрої на їх основі використовують в технічному електролізі для інтенсифікації процесів вилучення іонів важких металів з розведених розчинів.